Prúdové elektródy (vonkajšie) sa pripoja na svorky C1, C2 a potenciálové (vnútorné) elektródy na svorky P1, P2.

Transkript

1 Meranie uzemnenia a Meranie rezistivity pôdy Zostavil: Viliam Kopecký Použitá literatúra: - Texty uvedené v zborníkoch prednášok Celoslovenských seminárov elektrotechnikov, - Texty uverejnené na webe, - Štúdijná literatúra spoločnosti MARKAB s.r.o., Žilina A REZISTIVITA PÔDY A.1 - Rezistivita pôdy zisťovaná štvorelektródovou metódou. Pri použití Wennerovej metódy sa zarazia štyri tyčové elektródy s priemerom 15 až 20 mm pozdĺž jednej priamky do hĺbky 0,2 m vo vzdialenosti a podľa obrázka obr. 1 Obr. 1 Meranie rezistivity pôdy Wennerovou metódou Prúdové elektródy (vonkajšie) sa pripoja na svorky C1, C2 a potenciálové (vnútorné) elektródy na svorky P1, P2. Rezistivita ρ v Ω.m sa vypočíta zo vzťahu: ρ = 2π a R kde a je vzdialenosť meracích elektród, v m; R nameraný odpor, v Ω. Takto stanovená rezistivita je strednou rezistivitou pôdy do hĺbky rovnej približne vzdialenosti elektród a. A.2 - Na návrh jednoduchých uzemňovačov postačí zistiť rezistivitu pôdy do hĺbky 1 m tak, že sa zmeria odpor uzemnenia tyče alebo rúrky s priemerom 20 mm zarazenej do hĺbky 1 m. Rezistivita ρ v Ω.m sa vypočíta podľa vzťahu: ρ = 1,12 R kde R je nameraný odpor uzemnenia tyče, v Ω. A.3 - Vplyv kolísania rezistivity pôdy do hĺbky 3 m v závislosti od ročného obdobia sa eliminuje tak, že nameraná hodnota rezistivity pôdy sa násobí koeficientom K podľa kriviek na obrázku obr. 2 1

2 Podľa druhu použitého prístroja sa môže požadovať väčšia hĺbka s ohľadom na prechodový odpor uzemnenia elektród. 1 Meranie v daždivom období 2 Meranie v období sucha Obr. 2 Závislosť koeficienta k na ročnom období Pri návrhu rozsiahlych uzemňovacích sústav sa počíta s rezistivitou pôdy do hĺbky rovnajúcej sa približne dĺžke uhlopriečky uzemňovacej sústavy. Hodnota tejto rezistivity sa považuje za stálu. B UZEMNENIE Meranie odporu uzemnenia Na meranie odporu uzemnenia sa používa môstiková metóda alebo metóda prúd napätie. Dovolené je používať aj iné metódy, ak je zaručená aspoň rovnaká presnosť metódy. B.1 Môstiková metóda B.1.1 Môstiková metóda sa používa na stanovenie odporu uzemnenia jednotlivých uzemňovačov s odporom uzemnenia väčším ako 0,5 Ω. Merania sa vykonávajú prístrojmi určenými na priame meranie odporu uzemnenia. Ak nie je možné v dôsledku rušenia vyrovnať môstik meracieho prístroja, nemožno prístroj na meranie použiť. B Pomocné elektródy sa majú umiestniť v takej vzdialenosti od meraného uzemňovača, aby ich vzájomný vplyv bol čo najmenší. Táto podmienka je splnená napríklad vtedy, ak sú elektródy umiestnené v jednej priamke podľa možnosti kolmo na dlhší rozmer uzemňovača vo vzdialenostiach podľa obrázka obr. 3 Obr. 3 Usporiadanie elektród pri meraní odporu uzemnenia 2

3 B.1.2 Pre jednoduchý uzemňovač do dĺžky 40 m je l CE = 40 m; l PE = 25 m. B.1.3 Pre zložitý uzemňovač alebo mrežovú sieť je l CE = 3 krát najväčší rozmer alebo uhlopriečka uzemňovača; l PE = 0,62.l CE. B.1.3 Ak meranie môžu ovplyvniť iné uzemňovače alebo kovové zariadene uložené v zemi, meria sa v niekoľkých smeroch a použije sa najväčšia nameraná hodnota z vykonaných meraní. B.2 Metóda prúd napätie Meria sa za podmienok stanovených v B.1.1, pričom: - zdroj prúdu sa zapojí cez ampérmeter medzi merané uzemnenie a pomocnú elektródu CE, - napätie sa meria voltmetrom s veľkým vnútorným odporom zapojeným medzi merané uzemnenie a napäťovú elektródu PE, - odpor uzemnenia Rz v Ω sa vypočíta zo vzťahu: R z = U m / I m kde U m je namerané napätie vo V; I m merací prúd v A C- METODY MĚŘENÍ ZEMNÍCH ODPORŮ Podľa textu přednášky autora Ing. Leoša Koupeho ILLKO Blansko přednáška na 11. CSE poriadanom spoločnosťou MARKAB s.r.o., Žilina 1. Úvod Následující článek by měl čtenáře seznámit s jednotlivými metodami měření zemního odporu včetně řady možností měření pomocí proudových kleští. Před jejich popisem je velmi stručně rozebráno, co je vlastně zemní odpor a některé s ním související veličiny. Co je zemní odpor? Je to elektrický odpor, který klade zemnič proudu, který jím protéká do země. Skládá se z povrchového odporu zemniče (způsobují převážně oxidy na jeho povrchu) a z odporu zeminy, převážně v blízkosti povrchu zemniče, viz. obr. 1. Obr. 1. Zemnič 3

4 Chybový proud, který protéká zemničem v případě poruchy, způsobí úbytek napětí na zemním odporu. Většina zemního odporu je soustředěna na povrchu zemniče, viz. obr. 2. Současně je zobrazeno krokové a dotykové napětí, která vznikají průchodem proudu zemním odporem. Obr. 2. Poměry kolem zemniče 2. Všeobecně o měření zemních odporů Vzhledem k mnoha možným uspořádání zemnícího systému, se kterými se lze setkat, lze použít řadu způsobů měření, z nichž každý má své přednosti, ale i svá omezení: S vlastním generátorem a měřicími elektrodami Jde o klasickou metodu. Její předností je dobrá přesnost měření. Omezením je nutnost použít měřicí elektrody, což je v některých případech (městská zástavba) prakticky nemožné. S vlastním generátorem, měřicími elektrodami a jedním klešťovým přístrojem V tomto případě není nutné mechanicky rozpojovat svorky měřeného zemniče v případech, kdy je zapojeno více zemničů paralelně. Měření pouze dvěma klešťovými přístroji (tj. bez měřicích elektrod) V případech měření složitého zemního systému s více paralelními zemniči nebo tam, kde je k dispozici další zemnící systém s nízkým zemním odporem, umožňuje tato metoda měřit bez měřicích elektrod a bez nutnosti mechanicky rozpojovat svorky měřeného zemniče. S použitím externího měřicího napětí bez pomocné elektrody Tato metoda se obvykle používá, pokud měříme zemní odpor v síti TT, kde je velikost zemního odporu mnohem vyšší, než odpor poruchové smyčky. Výhodou je, že není potřeba žádná měřicí elektroda, nevýhodou je nutnost přivést k místu měření síťové napětí. Měření lze provést např. měřičem proudových chráničů nebo přístrojem pro měření impedance poruchové smyčky. S použitím externího měřicího napětí a s pomocnou elektrodou Tato metoda je vhodná i pro měření v sítích TN. Výsledek měření při použití jednotlivých metod může být nepříznivě ovlivněn rušivými signály, přítomnými v měřeném zemním systému. Např. v průmyslových objektech nebo u distribučních transformátorů mohou téci velké zemní proudy. Rovněž tak v blízkosti železničních kolejí, sloupů vysokého napětí atd. Pak záleží na vlastním měřicím přístroji, jak si s takovým rušením poradí. Pro úspěšné měření zemního odporu pomocí měřicích elektrod je nutné, aby jejich odpor nebyl příliš vysoký. Moderní měřicí přístroje odpor elektrod většinou (automaticky) vyhodnotí a upozorní obsluhu na překročení povolené meze. Nejčastěji používaná metoda měření zemního odporu používá vlastní generátor měřicího signálu a dvě měřicí elektrody (proudovou a napěťovou). Měření je založeno na metodě 62% - viz. níže. 4

5 Pro toto měření je důležité, aby měřený zemnič byl oddělen od ostatních zemničů, kovových konstrukcí apod. Je nutné zdůraznit, že vodič, odpojený od měřeného zemniče, může být nebezpečný! To platí tehdy, pokud před rozpojením protéká do země tímto vodičem příliš velký unikající nebo poruchový proud. Na obr. 3 je zobrazen princip často používané měřicí čtyřvodičové metody se dvěma měřicími elektrodami: Obr. 3. Princip měření a rozložení měřicího napětí Základem pro výpočet požadované vzdálenosti mezi měřeným zemničem a pomocnými elektrodami je pro jednoduchý tyčový nebo páskový zemnič hloubka tyčového zemniče nebo diagonální rozměr páskového zemniče. Vzdálenost mezi měřeným zemničem a proudovou elektrodou C2 = hloubka (tyč) nebo diagonální rozměr (pásek) x 3 (některá literatura např. [1] udává x 5). Vzdálenost k napěťové elektrodě P2 (62%) = Vzdálenost C2 0,62 Příklad: Páskový zemnič, diagonála = 4 m. C2 = 4 m 5 = 20 m P2 (62%) = 20 m 0,62 = 12,4 m Jsou-li jednotlivé vzdálenosti úměrně větší, není to na závadu, neboť se tím sníží vzájemný vliv jednotlivých elektrod. V [2] se např. pro jednoduchý zemnič doporučuje délka přívodního vodiče k elektrodě C2 40 m a k napěťové elektrodě P2 pak 62% ze 40 m, tj. asi 25 m. Vzhledem k tomu, že zemní systém může být velmi složitý, může být pospojovaný jak nad zemí, tak pod ní, nemůže být většinou vizuálně zkontrolován atd. je zřejmé, že měření zemních odporů může být mnohdy komplikované. Z toho důvodu je nutné správně volit jak použitý měřicí přístroj, tak vhodnou metodu. Při vyhodnocení výsledku měření je vždy nutné vzít v úvahu i chybu měření použitého přístroje. Příklad: Měřicí přístroj zobrazí na displeji hodnotu zemního odporu 7,20 Ω. Má-li přístroj udánu chybu měření ±(2% z měřené hodnoty + 3 digity), pak skutečná hodnota zemního odporu může být v rozmezí 7,03 Ω 7,37 Ω. V další části je uvedeno několik ukázek měření různými metodami. 3. Měření zemního odporu jednoduchého tyčového nebo páskového zemniče 5

6 Obr. 4. Měření zemního odporu jednoduchého tyčového zemniče Obr. 5. Měření zemního odporu jednoduchého páskového zemniče Výsledek = U/I = R E kde: U... Napětí změřené voltmetrem přístroje mezi svorkami P1 a P2 I... Měřicí proud tekoucí mezi svorkami C1 a C2 4. Měření složitého zemního systému s více paralelními zemniči 6

7 V takovýchto systémech existují dva důležité údaje: Celkový zemní odpor celého systému REtot je dán paralelní kombinací jednotlivých zemničů. Dostatečně malý celkový zemní odpor se jeví jako dobrá ochrana při poruše některého elektrického spotřebiče, ale nemusí to platit pro atmosférické výboje způsobené bleskem v systému hromosvodu Odpor jednotlivých zemničů RE1 REN. Jednotlivé odpory musí být dostatečně nízké pro případ, že je zemní systém určen i pro ochranu před bleskem Měření celkového zemního odporu Čtyřvodičová metoda se dvěma měřicími elektrodami Obr. 6. Měření celkového zemního odporu složitého zemnícího systému čtyřvodičovou metodou se dvěma měřicími elektrodami Proudové a napěťové elektrody musí být zaraženy do země dostatečně daleko od měřeného systému. Požadovaná vzdálenost k proudové elektrodě musí být dle [2] nejméně trojnásobek (některé prameny uvádějí i pětinásobek sníží se tím vzájemné ovlivňování elektrod) největší vzdálenosti mezi jednotlivými zemniči měřeného systému. Výhodou této metody je, že dává přesné a spolehlivé výsledky. Naproti tomu ji někdy nelze použít z důvodu nutnosti zarážet měřicí elektrody ve velkých vzdálenostech, což může být problém především v městské zástavbě. Výsledek = U/I = R E1 //R E2 //R E3 //R E4 = R Etot kde: U... Napětí změřené voltmetrem přístroje mezi svorkami P1 a P2 I... Měřicí proud tekoucí mezi svorkami C1 a C2 R E1 až RE4... Zemní odpor jednotlivých zemničů R Etot... Celkový zemní odpor měřeného systému Měření dvěma klešťovými přístroji Měření může být zjednodušeno a měřicí elektrody nemusí být vůbec použity v případě, že je k dispozici další zemnič nebo zemnící systém s dostatečně malým celkovým zemním odporem. Popsané podmínky jsou často splněny v městské zástavbě. Pak je možné použít metodu dvou klešťových přístrojů. Následující obrázek ukazuje možnou situaci a připojení měřicího přístroje. 7

8 Obr. 7. Měření celkového zemního odporu dvěma klešťovými přístroji R E1 až R E4... Zemní odpor jednotlivých zemničů měřeného systému R E5 až R EN... Zemní odpor jednotlivých zemničů pomocného zemnícího systému s malým celkovým zemním odporem r... Musí být dodržena určitá minimální vzdálenost mezi klešťovými přístroji, aby se vzájemně neovlivňovaly. Následující schéma je náhradní schéma předcházejícího obrázku. Obr. 8. Náhradní schéma obvodu z předcházejícího obrázku Výsledek = (celkový zemní odpor zemničů R E1 až R E4 ) + + (celkový zemní odpor pomocného zemnícího systému R E5 až R EN ) 8

9 Pokud je splněna podmínka, že celkový zemní odpor pomocného systému je podstatně menší, než měřeného systému, pak můžeme předcházející vztah zjednodušit na: Výsledek (celkový zemní odpor měřených zemničů R E1 až R E4 ) Pokud je výsledek měření menší než povolená hodnota, pak je skutečná hodnota měřeného celkového zemního odporu na straně bezpečnosti, protože je ve skutečnosti ještě nižší, než změřená hodnota Měření zemního odporu jednotlivých zemničů Měření s rozpojením měřeného zemniče za použití čtyřvodičové metody se dvěma měřicími elektrodami Obr. 9. Měření odporu jednotlivých zemničů Výsledek = U / I = R E4 kde: U... Napětí změřené voltmetrem přístroje mezi svorkami P1 a P2 I... Měřicí proud tekoucí mezi svorkami C1 a C2 Požadované vzdálenosti mezi měřicími elektrodami jsou shodné, jako při měření jednoduchého tyčového (příp. jednoduchého páskového) zemniče. Nevýhodou je nutnost rozpojovat často značně rezavé svorky. Výhodou je naopak dobrá přesnost měření a spolehlivost použité metody Měření s rozpojením měřeného zemniče za použití čtyřvodičové dvoubodové metody Je-li celkový počet zemničů dostatečně vysoký, lze použít zjednodušenou metodu bez měřicích elektrod, viz. obr. 10. Měřený zemnič musí být rozpojen a zbývající jsou použity jako pomocné elektrody. Celkový zemní odpor zbývajících zemničů je přitom podstatně menší, než odpor měřeného zemniče. 9

10 Obr. 10. Zjednodušená metoda bez měřicích elektrod Výsledek = R E4 + (R E1 // R E2 // R E3 ) Za předpokladu, že (R E1 // R E2 // R E3 ) je mnohem menší, než měřený odpor RE4, lze napsat: Výsledek R E Měření, používající čtyřvodičovou metodu v kombinaci s jedněmi proudovými kleštěmi Obr. 11. Měření pomocí jedněch kleští Náhradní schéma předchozího obrázku vypadá takto: 10

11 Obr. 12. Náhradní schéma zapojení z obr.11 Ut... Měřicí napětí. Rc... Odpor proudové elektrody. Rp... Odpor napěťové elektrody. Itot... Celkový proud generovaný měřicím napětím Ut a měřený pomocí ampérmetru v sérii s generátorem. I1 až I4... Proudy jednotlivými zemniči. I1 + I2 + I3 + I4 = Itot Výsledek 1 = R E4 (proud měřený kleštěmi) Výsledek 2 = R tot (celkový proud měřený ampérmetrem) Výhodou této metoda je skutečnost, že není třeba rozpojovat měřené zemniče. Vzdálenost mezi měřeným zemničem a proudovou elektrodou má být nejméně 5ti násobek největší vzdálenosti mezi jednotlivými zemniči měřeného systému. Poznámky Vzhledem k možným velkým vzdálenostem mezi jednotlivými zemniči měřeného systému není často možné přemístit pouze kleště od jednoho zemniče k druhému, ale je nutné přenést celé zapojení včetně měřicích elektrod. Je-li počet měřených zemničů v systému velmi velký, může nastat situace, že proud tekoucí klešťovým přístrojem bude velmi malý, čímž může být negativně ovlivněna přesnost měření. Měřicí přístroj by měl tuto situaci vyhodnotit a upozornit na ni obsluhu Měření dvěma klešťovými přístroji V praxi se můžeme setkat se složitými zemnícími systémy s několika paralelními zemniči (viz. obr.13) nebo se systémem propojeným s dalším zemnícím systémem (viz. obr. 15). Zvláště v městské zástavbě je přitom prakticky nemožné používat měřicí elektrody. V tomto případě poslouží metoda dvou kleští bez použití měřicích elektrod. Obr.13. Měření zemního odporu pomocí dvou kleští Poznámka Musí být dodržena určitá minimální vzdálenost mezi klešťovými přístroji, aby se vzájemně neovlivňovaly. Na dalším obrázku je náhradní schéma předchozího obrázku. 11

12 Obr. 14. Náhradní schéma zapojení z obr. 13 Výsledek = R E4 + (R E3 // R E2 // R E1 ) Za předpokladu, že celkový zemní odpor (R E1 // R E2 // R E3 ) je mnohem menší, než měřený odpor RE4, lze napsat: Výsledek R E4 Pokud je výsledek měření menší, než povolená hodnota, pak je skutečná hodnota zemního odporu na straně bezpečnosti, protože je ve skutečnosti ještě nižší, než změřená hodnota. Přemístěním kleští můžeme postupně změřit další dílčí zemní odpory. Další možnou variantou je měření na následujícím obrázku. Podmínkou je, aby celkový zemní odpor systému pomocného zemniče R E5 až R EN byl podstatně menší, než celkový zemní odpor měřeného objektu R E1 až R E4. Obr. 15. Měření zemního odporu pomocí dvou kleští Zapojení je stejné jako na obr. 7, pouze měřicí kleště jsou zapojeny do obvodu měřeného zemniče. Náhradní schéma obrázku 15 je níže. 12

13 Obr. 16. Náhradní schéma zapojení z obr. 15 Za podmínky, že celkový zemní odpor pomocné soustavy R E5 až R EN je mnohem menší, než celkový zemní odpor měřené soustavy RE1 to RE4, můžeme napsat: Výsledek R E3 Přemístěním měřicích kleští 1 můžeme postupně změřit další dílčí zemní odpory. Poznámky Tato metoda může být použita tam, kde jsou jednotlivé měřené zemniče tak blízko, aby byly v dosahu kleští 1. Kleště 2 (generátor) by měly zůstat stále na stejném místě. Je-li počet měřených zemničů v systému velmi velký, může nastat situace, že proud tekoucí klešťovým přístrojem bude velmi malý, čímž může být negativně ovlivněna přesnost měření.. Měřicí přístroj by měl tuto situaci vyhodnotit a upozornit na ni obsluhu. 5. Měření zemních odporů pomocí vnějšího zdroje napětí Dostatečně malý zemní odpor je jednou ze základních podmínek použití proudových chráničů. Je tedy nutné znát tento zemní odpor. Kromě výše uvedených metod s vnitřním generátorem je možné použít přístroj, který měří proudové chrániče a zemní odpor spočítat ze změřeného dotykového napětí (pokud ho nespočítá přístroj sám). Některé přístroje navíc umožňují zvolit měření s pomocnou elektrodou, nebo bez ní. V případě pomocné elektrody přístroj měří skutečný zemní odpor. Bez použité pomocné elektrody přístroj měří celkový odpor poruchové smyčky, což je v sítích TT prakticky shodné se zemním odporem Měření bez pomocné elektrody Metoda je vhodná především pro sítě TT. Zapojení i metoda měření jsou shodné s měřením dotykového napětí v obvodech s proudovými chrániči. 13

14 Obr. 17. Princip měření dotykového napětí v síti TT bez pomocné elektrody Obr.18. Připojení přístroje Výsledek měření je: kde: Výsledek = U / I = (U O U L ) / I = R E + R O I... Měřicí proud (většinou polovina jmenovitého rozdílového proudu proud. chrániče) U O... Síťové napětí naprázdno (zkušební proud neprotéká) U L... Síťové napětí měřené při průtoku měřicího proudu R E... Zemní odpor zemniče R O... Ostatní odpory v obvodu (odpory krajního a ochranného vodiče, zemní odpor zemniče transformátoru atd.) Maximální zemní odpor zemniče při použití proudového chrániče je daný jmenovitým rozdílovým proudem použitého proud. chrániče a maximálním povoleným dotykovým napětím. Maximální zemní odpor může být spočten jako: R E max. = U L / I n kde: U L... Max. povolené dotykové napětí (25 nebo 50 V) 14

15 I n... Jmenovitý rozdílový proud použitého proudového chrániče. Max. zemní odpory jsou v následující tabulce. Jmenovitý rozdílový proud proudového chrániče I n (A) Max. zemní odpor při mezním dotykovém napětí UL = 50 V ( ) Max. zemní odpor při mezním dotykovém napětí UL = 25 V ( ) 0,01 0,03 0,1 0,3 0, Tabulka 1. Max. zemní odpor při použití proudového chrániče. Princip měření by byl stejný i při použití měřiče impedance ochranné smyčky místo měřiče proudových chráničů. Jediný rozdíl je v tom, že impedance ochranné smyčky se měří podstatně větším proudem, takže může dojít k vybavení proudového chrániče. Vlivem většího měřicího proudu je však přesnost měření vyšší. Pokud je zemní odpor RE mnohem vyšší, než součet všech ostatních odporů v obvodu (což je v síti TT většinou splněno), pak můžeme napsat: Výsledek R E 5.2. Měření s použitím pomocné elektrody Tato metoda je použitelná jak v sítích TT, tak TN. Princip měření je zobrazen níže. Obr. 19. Princip měření dotykového napětí v síti TT s pomocnou elektrodou 15

16 Obr. 20. Připojení přístroje Výsledek měření v tomto případě bude: kde: Výsledek = Uc / I = R E Uc... Dotykové napětí měřené voltmetrem proti pomocné elektrodě. Je prakticky shodné s napětím na zemním odporu měřeného zemniče I... Měřicí proud (většinou polovina jmenovitého rozdílového proudu proud. chrániče) R E... Zemní odpor Závěr Jak z článku vyplývá, je vhodné používat měřicí přístroj, který umožňuje zvolit pokud možno co největší množství různých metod měření. Dále by měl mít dobrou odolnost proti rušivým signálům, které se mohou v zemních systémech vyskytnout. Rovněž by měl mít dobrou přesnost měření. Základní požadavky na přístroje pro měření zemních odporů popisuje norma ČSN EN Na trhu je celá řada přístrojů, které nabízejí více či méně měřicích metod. Jedním z nich je multifunkční přístroj Eurotest 61557, který umožňuje měřit (mimo mnoha dalších veličin) zemní odpory všemi zde uvedenými metodami! Také měřič zemních/izolačních/přechodových odporů, typ MI 2088, umí měřit všemi metodami mimo měření s pomocí vnějšího zdroje napětí. V případě zájmu získáte podrobnější informace u firmy ILLKO, s.r.o., Blansko, která má uvedené přístroje ve své nabídce. Podrobnější infomace o jmenovaných i dalších přístrojích můžete získat i na internetové adrese Literatura: [1] Vrhovec, A.: Measurement on electric installations in theory and practice [2] ČSN [3] Kočvara, A.: Uzemňování elektrických zařízení. STRO.M Praha [4] ČSN EN